DE102011001883A1

DE102011001883A1 - Wärmespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE102011001883A1
Application number: DE102011001883A
Authority: DE
Inventors: Michael Fiss
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: DE102011001883B4

Abstract

Um eine Wärmespeichervorrichtung zur Speicherung von Wärme in einem Speichermedium zu schaffen, welche mit geringem Aufwand herstellbar und auf einfache Weise für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten anpassbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Speichervorrichtung, welche eine Mehrzahl von Speicherräumen umfasst, in denen das Speichermedium aufgenommen oder aufnehmbar ist, eine Strömungsvorrichtung, welche eine Mehrzahl von Strömungsräumen umfasst, die von einem Strömungsmedium durchströmt werden oder durchströmbar sind, wobei die Speicherräume und die Strömungsräume alternierend angeordnet sind, eine Mehrzahl von plattenförmigen Trennelementen zum Trennen der Speicherräume von den Strömungsräumen, wobei jeweils ein plattenförmiges Trennelement zwischen einem Speicherraum und einem an diesen Speicherraum angrenzenden Strömungsraum angeordnet ist, und mindestens ein Wärmeleitelement, welches in einem oder mehreren der Speicherräume angeordnet oder anordenbar ist, umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung zur Speicherung von Wärme.
Einer solchen Wärmespeichervorrichtung kann ein Strömungsmedium zugeführt werden, wobei die in dem Strömungsmedium enthaltene Wärme mittels eines Wärmetauschers auf das in der Wärmespeichervorrichtung angeordnete Speichermedium zur Speicherung von Wärme übertragbar ist. Ferner kann zur Nutzung der gespeicherten Wärme mittels des Wärmetauschers die gespeicherte Wärme von dem Speichermedium auf das Strömungsmedium übertragen werden. Insbesondere dann, wenn bei einem Speichervorgang oder bei einem Entnahmevorgang ein Phasenübergang des Speichermediums erfolgt, kann in einer solchen Wärmespeichervorrichtung besonders viel Wärme gespeichert werden. Die Wärme wird hierbei als latente Wärme gespeichert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeichervorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche mit geringem Aufwand herstellbar und auf einfache Weise für eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten anpassbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wärmespeichervorrichtung umfasst:

– eine Speichervorrichtung, welche eine Mehrzahl von Speicherräumen umfasst, in denen das Speichermedium aufgenommen oder aufnehmbar ist;
– eine Strömungsvorrichtung, welche eine Mehrzahl von Strömungsräumen umfasst, die von einem Strömungsmedium durchströmt werden oder durchströmbar sind, wobei die Speicherräume und die Strömungsräume alternierend angeordnet sind;
– eine Mehrzahl von plattenförmigen Trennelementen zum Trennen der Speicherräume von den Strömungsräumen, wobei jeweils ein plattenförmiges Trennelement zwischen einem Speicherraum und einem an diesen Speicherraum angrenzenden Strömungsraum angeordnet ist;
– mindestens ein Wärmeleitelement, welches in einem oder mehreren der Speicherräume angeordnet oder anordenbar ist.

Dadurch, dass eine Mehrzahl von Speicherräumen und eine Mehrzahl von Strömungsräumen vorgesehen sind, kann eine effiziente Übertragung der Wärme von dem Strömungsmedium auf das Speichermedium und/oder von dem Speichermedium auf das Strömungsmedium erfolgen.
Dadurch, dass die Speicherräume und die Strömungsräume alternierend angeordnet sind, ergibt sich ein großer Kontaktbereich zwischen den Speicherräumen und den Strömungsräumen, so dass eine effiziente Übertragung der Wärme von dem Speichermedium auf das Strömungsmedium und/oder von dem Strömungsmedium auf das Speichermedium möglich ist.
Dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung erfindungsgemäß eine Mehrzahl von plattenförmigen Trennelementen zum Trennen der Speicherräume von den Strömungsräumen umfasst, wobei jeweils ein plattenförmiges Trennelement zwischen einem Speicherraum und einem an diesen Speicherraum angrenzenden Strömungsraum angeordnet ist, ist eine einfache Herstellung der Wärmespeichervorrichtung möglich. Insbesondere kann hierbei durch die gewählte Anzahl von plattenförmigen Trennelementen und somit durch die Wahl der Anzahl von Speicherräumen und Strömungsräumen eine Größe der Wärmespeichervorrichtung und somit die Speicherkapazität der Wärmespeichervorrichtung frei gewählt werden.
Dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung mindestens ein Wärmeleitelement umfasst, welches in einem oder mehreren der Speicherräume angeordnet oder anordenbar ist, kann die Effizienz des Wärmeübertrags von dem Speichermedium auf das Strömungsmedium und/oder von dem Strömungsmedium auf das Speichermedium, das heißt die Aufnahmeleistung und/oder die Abgabeleistung der Wärmespeichervorrichtung, gezielt beeinflusst werden. Insbesondere ist hierdurch eine einfache Anpassung der Wärmespeichervorrichtung an eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten möglich, ohne tiefgreifende Änderungen an der Wärmespeichervorrichtung durchführen zu müssen.
Vorzugsweise ist die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitelements höher als diejenige des Speichermediums in zumindest einem Aggregatzustand, insbesondere im festen Aggregatzustand. Alternativ hierzu kann die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitelements aber auch kleiner als diejenige des Speichermediums in zumindest einem Aggregatzustand, insbesondere im festen Aggregatzustand, gewählt werden, so dass die Wärmeleitung mittels des Wärmeleitelements erschwert wird.
Das mindestens eine Wärmeleitelement dient vorzugsweise dem Wärmetransport aus einem Bereich des Speicherraums, welcher von den Trennelementen beabstandet angeordnet ist, zu einem näher an den Trennelementen liegenden Bereich, insbesondere aus einer Mitte der Speicherräume heraus hin zu den Trennelementen.
Insbesondere dann, wenn das mindestens eine Wärmeleitelement mit mindestens einem Trennelement in direktem Kontakt steht, ist ein effizienter Wärmetransport aus dem Bereich, welcher von den Trennelementen beabstandet angeordnet ist, zu den Trennelementen hin möglich.
Günstig ist es, wenn sich das mindestens eine Wärmeleitelement im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung von mindestens einem Trennelement zumindest bis zu der Mitte des mindestens einen Speicherraums erstreckt.
Besonders günstig ist es, wenn sich das mindestens eine Wärmeleitelement im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung zwischen zwei Trennelementen erstreckt, welche den mindestens einen Speicherraum begrenzen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Speicherraum in einem montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung eine Zugangsöffnung umfasst, durch welche das mindestens eine Wärmeleitelement in den mindestens einen Speicherraum einbringbar und/oder aus dem mindestens einen Speicherraum entfernbar ist. Auf diese Weise kann eine Leistungsveränderung der Wärmespeichervorrichtung besonders einfach dadurch erzielt werden, dass das mindestens eine Wärmeleitelement in den mindestens einen Speicherraum eingebracht oder aus dem mindestens einen Speicherraum entfernt und/oder durch ein anderes Wärmeleitelement, beispielsweise eines mit einer anderen Wärmeübertragungscharakteristik, ersetzt wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine, vorzugsweise verschließbare, Abdeckung für die Zugangsöffnung umfasst.
Vorteilhaft kann es sein, wenn alle plattenförmigen Trennelemente der Wärmespeichervorrichtung im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind. Auf diese Weise ist eine einfache Stapelung der plattenförmigen Trennelemente zur Herstellung einer beliebig großen Wärmespeichervorrichtung möglich. Insbesondere muss bei der Herstellung der einzelnen Bauteile für die Wärmespeichervorrichtung noch nicht berücksichtigt werden, welche Größe und/oder Kapazität der Wärmespeichervorrichtung gewünscht ist.
Günstig kann es sein, wenn mindestens ein Speicherraum quaderförmig ausgebildet ist.
Der mindestens eine Speicherraum ist dann vorzugsweise an zwei einander gegenüberliegenden Seiten von zwei der Trennelemente begrenzt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Speicherraum an mindestens drei der nicht von Trennelementen begrenzten Seiten des mindestens einen Speicherraums von einem Distanzelement begrenzt ist.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn mindestens ein Strömungsraum quaderförmig ausgebildet ist.
Günstig kann es sein, wenn der mindestens eine Strömungsraum an zwei einander gegenüberliegenden Seiten von zwei der Trennelemente begrenzt ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der mindestens eine Strömungsraum an den nicht von Trennelementen begrenzten Seiten des mindestens einen Strömungsraums von einem Distanzelement begrenzt ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung mindestens ein Distanzelement zum Festlegen eines Abstands zwischen zwei benachbarten Trennelementen umfasst. Insbesondere dann, wenn die plattenförmigen Trennelemente im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind, kann durch die Wahl eines geeigneten Distanzelements das von zwei Trennelementen begrenzte Volumen eines Speicherraums und/oder eines Strömungsraums festgelegt werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das mindestens eine Distanzelement in einem äußeren Randbereich der Trennelemente angeordnet ist. Das mindestens eine Distanzelement kann dann vorzugsweise als Wandung für den mindestens einen Strömungsraum und/oder den mindestens einen Speicherraum dienen. Das mindestens eine Distanzelement ist vorzugsweise in einem umlaufenden Randbereich zweier Trennelemente zwischen den Trennelementen angeordnet.
Besonders günstig ist es, wenn das mindestens eine Distanzelement der Abdichtung der Strömungsräume und/oder der Speicherräume dient, so dass die Strömungsräume und/oder die Speicherräume durch die Trennelemente und die Distanzelemente in ihren Ausmaßen festgelegt sind.
Das Volumen des mindestens einen Speicherraums und/oder des mindestens einen Strömungsraums ergibt sich vorzugsweise durch die Wahl der Ausmaße der Trennelemente und die Wahl der Ausmaße der Distanzelemente.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass für die Speicherräume und die Strömungsräume im Wesentlichen dieselben Distanzelemente verwendet werden, so dass die Strömungsräume und die Speicherräume im Wesentlichen dieselben Volumina aufweisen.
Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist hingegen vorgesehen, dass für die Speicherräume und die Strömungsräume unterschiedliche Distanzelemente mit unterschiedlichen Ausmaßen gewählt werden, so dass beispielsweise die Strömungsräume ein geringeres Volumen aufweisen als die Speicherräume.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trennelemente mit mindestens einer Durchtrittsöffnung für das Strömungsmedium versehen sind. Auf diese Weise sind keine nach außen von der Wärmespeichervorrichtung hervorstehenden Verbindungselemente zur Verbindung zweier Strömungsräume notwendig.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen zwei Trennelementen, welche einen Speicherraum zwischen sich einschließen, mindestens ein Leitungselement angeordnet ist, welches zwischen den Trennelementen verläuft und mindestens eine Durchtrittsöffnung in dem einen Trennelement mit mindestens einer Durchtrittsöffnung in dem weiteren Trennelement verbindet, so dass ein fluiddichter Strömungskanal für das Strömungsmedium gebildet ist. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Verbindung zwischen zwei Strömungsräumen gebildet werden.
Der Strömungskanal führt vorzugsweise durch den zwischen den miteinander verbundenen Strömungsräumen angeordneten Speicherraum hindurch, wobei mittels des mindestens einen Leitungselements ein Kontakt des Strömungsmediums mit dem Speichermedium verhindert wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Trennelemente mittels Dichtungen oder stoffschlüssig miteinander oder mit Distanzelementen zum Festlegen eines Abstandes zwischen zwei benachbarten Trennelementen verbunden sind. Insbesondere dann, wenn zur Herstellung einer fluiddichten Verbindung der einzelnen Bauteile der Wärmespeichervorrichtung Dichtungen verwendet werden, kann auch nach der Montage der Wärmespeichervorrichtung ein Austausch defekter Teile auf einfache Weise erfolgen, da die Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen wieder gelöst werden können. Insbesondere dann, wenn die einzelnen Bauteile der Wärmespeichervorrichtung stoffschlüssig miteinander verbunden werden, ist eine besonders stabile Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung möglich.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Material des mindestens einen Wärmeleitelements eine geringere Härte aufweist als das Material der Trennelemente. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass eine Größenänderung der Trennelemente im Betrieb der Wärmespeichervorrichtung möglich ist, ohne dass das mindestens eine Wärmeleitelement dieser Größenänderung entgegenwirkt. Hierdurch wird insbesondere eine unerwünschte Belastung von Verbindungsstellen zwischen den Trennelementen und/oder zwischen den Trennelementen und den Distanzelementen verhindert.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn das Material des mindestens einen Wärmeleitelements ein stark wärmeleitendes Material, insbesondere ein Metall, ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Wärmeleitelement Graphit umfasst oder aus Graphit gebildet ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wärmeleitelement Kupfer, Stahl und/oder Aluminium umfasst oder aus Kupfer, Stahl oder aus Aluminium gebildet ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das mindestens eine Wärmeleitelement zumindest abschnittsweise einen wellenförmigen, kreuzförmigen und/oder zickzackförmigen Querschnitt aufweist. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Verbindung der nahe an den Trennelementen liegenden Bereichen mit den weiter entfernt von den Trennelementen angeordneten Bereichen der Speicherräume und somit ein effizienter Wärmeübertrag zwischen den einzelnen Bereichen möglich.
Besonders günstig kann es sein, wenn das mindestens eine Wärmeleitelement im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung zwischen zwei benachbarten Elementen eingeklemmt oder einklemmbar ist. Auf diese Weise ist eine stabile Anordnung des mindestens einen Wärmeleitelements zwischen den benachbarten Trennelementen und auch ein permanenter Kontakt des mindestens einen Wärmeleitelements mit den zwei benachbarten Trennelementen zur Wärmeübertragung gewährleistet.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Wärmeleitelement zumindest einseitig an mindestens ein Trennelement angeschweißt und/oder angelötet ist.
Das mindestens eine Wärmeleitelement ist im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung vorzugsweise aus dem mindestens einen Speicherraum entnehmbar und/oder in den mindestens einen Speicherraum einbringbar. Auf diese Weise kann auch nach der Montage der Wärmespeichervorrichtung eine besonders einfache Anpassung derselben an eine gewünschte Wärmeaufnahmeleistung und/oder Wärmeabgabeleistung erfolgen.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn das mindestens eine Wärmeleitelement im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung lose in mindestens einem Speicherraum gelagert oder lagerbar ist. Hierdurch kann das mindestens eine Wärmeleitelement besonders einfach aus dem mindestens einen Speicherraum entnommen oder in den mindestens einen Speicherraum eingebracht werden. Ferner ist hierdurch ein besonders einfacher Austausch eines ersten Typs des mindestens einen Wärmeleitelements gegen einen weiteren Typ eines Wärmeleitelements, beispielsweise mit unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften, möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, einen Bausatz für eine Wärmespeichervorrichtung bereitzustellen, welcher eine einfache Herstellung einer Wärmespeichervorrichtung mit geringem Aufwand und eine einfache Anpassung der Wärmespeichervorrichtung an eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Bausatz eine Mehrzahl von plattenförmigen Trennelementen zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung und eine Mehrzahl von Wärmeleitelementen umfasst, welche zur Beeinflussung der Leistungsfähigkeit der Wärmespeichervorrichtung im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung wahlweise in einem oder mehreren der Speicherräume angeordnet oder anordenbar sind.
Der erfindungsgemäße Bausatz weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Bausatz eine Mehrzahl von unterschiedlichen Wärmeleitelementen umfasst, welche sich hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit, ihrer Formgebung und/oder ihren Ausmaßen voneinander unterscheiden.
Ferner können die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung und/oder der erfindungsgemäße Bausatz die nachfolgend aufgeführten Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Insbesondere dann, wenn im Betrieb der Wärmespeichervorrichtung die Strömungsräume unter einem hohen Druck, beispielsweise einem Druck von ungefähr 10 bar, stehen, kann vorgesehen sein, dass die die Strömungsräume begrenzenden Bauteile der Wärmespeichervorrichtung miteinander verschweißt sind, um ein unerwünschtes Austreten von Strömungsmedium wirksam zu verhindern.
Die Speicherräume der Wärmespeichervorrichtung sind vorzugsweise im Betrieb der Wärmespeichervorrichtung nicht mit (vom Atmosphärendruck abweichendem) Druck beaufschlagt, so dass eine einfache Verbindung der die Speicherräume begrenzenden Bauteile der Wärmespeichervorrichtung miteinander mittels Dichtungen und Klemmvorrichtungen möglich ist.
Vorzugsweise bietet die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung eine Entkopplung der Speicherräume von den mit Druck beaufschlagten Strömungsräumen.
Die Trennelemente sind vorzugsweise Metallplatten, welche zur Vergrößerung einer Kontaktoberfläche und somit zur Erhöhung eines Wärmeübertrags zwischen dem Strömungsmedium und dem Speichermedium mit einer Oberflächenstruktur versehen sein können.
Eine Oberflächenstruktur der Trennelemente wird beispielsweise durch einen Pressvorgang der Trennelemente erzeugt.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Bausatzes sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische perspektivische Darstellung von Trennelementen einer Wärmespeichervorrichtung mit zwei Endplatten;
2 eine schematische perspektivische Darstellung der Trennelemente und der Endplatten der Wärmespeichervorrichtung aus 1, mit zwischen den Trennelementen angeordneten Leitungselementen zur Verbindung von Strömungsräumen der Wärmespeichervorrichtung;
3 eine schematische perspektivische Darstellung der Wärmespeichervorrichtung im montierten Zustand, mit zwischen den Trennelementen und den Endplatten angeordneten Distanzelementen;
4 eine schematische perspektivische Darstellung eines umseitig geschlossenen Distanzelements zur Anordnung in einem Speicherraum der Wärmespeichervorrichtung;
5 eine schematische perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Distanzelements zur Anordnung in einem Speicherraum der Wärmespeichervorrichtung, welches dreiseitig geschlossen ist;
6 eine schematische perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Distanzelements zur Anordnung in einem Speicherraum der Wärmespeichervorrichtung, mit integriertem Wärmeleitelement;
7 eine schematische perspektivische Darstellung eines Distanzelements zur Anordnung in einem Strömungsraum der Wärmespeichervorrichtung, mit integriertem Wärmeleitelement;
8 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausgestaltung eines Wärmeleitelements zur Anordnung in einem Speicherraum der Wärmespeichervorrichtung, mit zickzackförmigem Querschnitt;
9 eine schematische perspektivische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung eines Wärmeleitelements zur Anordnung in einem Speicherraum der Wärmespeichervorrichtung, mit wellenförmigem Querschnitt;
10 eine schematische perspektivische Darstellung einer alternativen Ausgestaltung von Wärmeleitelementen zur Anordnung in einem Speicherraum der Wärmespeichervorrichtung, mit kreuzförmigem Querschnitt; und
11 eine schematische Draufsicht von oben auf die Wärmespeichervorrichtung aus 3, mit in den Speicherräumen angeordneten, zickzackförmigen Wärmeleitelementen;
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 bis 3 dargestellte, mit 100 bezeichnete Wärmespeichervorrichtung umfasst eine Mehrzahl von plattenförmigen, im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Trennelementen 102, eine Mehrzahl von Distanzelementen 104, zwei Endplatten 106 und eine Mehrzahl von Leitungselementen 108.
Die Wärmespeichervorrichtung 100 umfasst eine Speichervorrichtung 110 zur Speicherung von Wärme und eine Strömungsvorrichtung 112 zur Durchströmung der Wärmespeichervorrichtung 100 mit einem Strömungsmedium.
Die Speichervorrichtung 110 umfasst eine Mehrzahl von mittels der Trennelemente 102 gebildeten Speicherräumen 114, welche im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung 100 mit einem Speichermedium zum Speichern von Wärme gefüllt sind.
Die Strömungsvorrichtung 112 umfasst mehrere durch die Trennelemente 102 gebildete Strömungsräume 116, welche mittels der Leitungselemente 108 der Wärmespeichervorrichtung 100 untereinander verbunden sind, so dass die Strömungsräume 116 der Strömungsvorrichtung 112 im Betrieb der Wärmespeichervorrichtung 100 mit dem Strömungsmedium durchströmt werden können.
Die Speichervorrichtung 110 kann Befüllungs- und Dehnungsrohre 109 umfassen, welche sich zwischen Befüllungs- und Dehnungsöffnungen 111 in zwei benachbarten Trennelementen 102 erstrecken und die Speicherräume 114 miteinander verbinden, so dass diese auch im vollständig geschlossenen Zustand der Wärmespeichervorrichtung 100 mit Speichermedium befüllt werden können und eine Expansionsmöglichkeit bei der Ausdehnung des Speichermediums gegeben ist.
Die Speicherräume 114 der Speichervorrichtung 110 und die Strömungsräume 116 der Strömungsvorrichtung 112 sind in einer vorzugsweise senkrecht zur maximalen Ausdehnung der Trennelemente 102 ausgerichteten Stapelrichtung 132 der Trennelemente 102 alternierend angeordnet, wobei jeweils ein Trennelement 102 einen Speicherraum 114 von einem Strömungsraum 116 trennt.
Mittels der Trennelemente 102 ist Wärme von dem die Strömungsräume 116 durchströmenden Strömungsmedium auf das in den Speicherräumen 114 angeordnete Speichermedium übertragbar. Die Trennelemente 102 sind hierzu beispielsweise aus einem stabilen, wärmeleitenden Metall, insbesondere aus Stahl, gebildet.
Um eine Wärmeübertragung von dem Strömungsmedium auf das Speichermedium oder umgekehrt zu beschleunigen, sind die an sich flachen, ebenen Trennelemente 102 mit Ausbuchtungen 118 versehen, so dass eine Oberfläche 120 der Trennelemente 102 vergrößert ist.
Die Distanzelemente 104 sind zwischen den Trennelementen 102 angeordnet und legen einen Abstand zwischen den Trennelementen 102 fest.
Wie beispielsweise 4 zu entnehmen ist, können die Distanzelemente hierzu einen umlaufenden Rand 122 für die Speicherräume 114 bilden, so dass die Speicherräume 114 umfangsseitig geschlossen ausgebildet sind.
Bei der in 3 dargestellten Ausgestaltung der Wärmespeichervorrichtung 100 sind hingegen für die Begrenzung der Speicherräume 114 der Speichervorrichtung 110 einseitig geöffnete Distanzelemente 104 vorgesehen, so dass (noch zu beschreibende) Wärmeleitelemente auch nach der Montage der Wärmespeichervorrichtung 100 in die Speicherräume 114 der Speichervorrichtung 110 eingebracht oder aus denselben entnommen werden können.
Die Distanzelemente 104 für die Ausbildung der Strömungsräume 116 der Strömungsvorrichtung 112 sind beispielsweise in 7 dargestellt und umfassen einen umlaufenden Rand, um das im Betrieb der Wärmespeichervorrichtung 100 unter Druck stehende Strömungsmedium nicht entweichen zu lassen. Leitungselemente 108 sind bei den Distanzelementen 104 für die Strömungsräume 116 der Strömungsvorrichtung 112 der Wärmespeichervorrichtung 100 nicht vorgesehen, so dass sich das Strömungsmedium mit Ausnahme des Bereichs der Befüllungs- und Dehnungsrohre 109 überall in dem Strömungsraum 116 ausbreiten kann (2).
Zur Verbesserung der Strömung innerhalb des jeweiligen Strömungsraums 116 der Strömungsvorrichtung 112 und zur besseren Wärmeübertragung von dem Strömungsmedium auf das Speichermedium in den Speicherräumen 114 der Speichervorrichtung 110 umfasst das in 7 dargestellte Distanzelement 104 für die Strömungsräume 116 der Strömungsvorrichtung 112 ein integriertes Wärmeleitelement 124, welches sich im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung 100 zwischen den den jeweiligen Strömungsraum 116 begrenzenden Trennelementen 102 erstreckt und mit Strömungsöffnungen 126 zur Durchströmung des Wärmeleitelements 124 mit Strömungsmedium versehen ist.
Wie 6 zu entnehmen ist, kann ein solches Wärmeleitelement 124 mit Strömungsöffnungen 126 auch in einem Distanzelement 104 für die Speicherräume 114 der Speichervorrichtung 110 vorgesehen sein. Die Strömungsöffnungen 126 dienen hier jedoch nicht der einfachen Durchströmung mit Strömungsmedium, sondern vielmehr der ungehinderten Verteilung des Speichermediums in den Speicherräumen 114 der Speichervorrichtung 110.
Ein Eindringen von Strömungsmedium in die Speicherräume 114 der Speichervorrichtung 110 ist bei den in den 4 bis 6 dargestellten Ausgestaltungen von Distanzelementen 104 für die Speicherräume 114 wirksam dadurch verhindert, dass die Distanzelemente 104 für die Speicherräume 114 integrierte Leitungselemente 108 aufweisen.
Die Leitungselemente 108 verbinden Durchtrittsöffnungen 128 in den Trennelementen 102 miteinander, so dass eine fluidwirksame Verbindung zwischen den Strömungsräumen 116 der Strömungsvorrichtung 112 gebildet ist, aber ein Eindringen von Strömungsmedium in die Speicherräume 114 wirksam verhindert wird.
Die Leitungselemente 108 bilden somit Fluidkanäle zwischen zwei Strömungsräumen 116, welche sich durch die Speicherräume 114 der Speichervorrichtung 110 der Wärmespeichervorrichtung 100 hindurch erstrecken.
Die Trennelemente 102 der Wärmespeichervorrichtung 100 sind parallel zueinander angeordnet. An einem oberen und einem unteren Ende des hierdurch in der Stapelrichtung 132 gebildeten Stapels von Trennelementen 102 dienen die Endplatten 106 der Begrenzung der Wärmespeichervorrichtung 100, wobei eine der Endplatten 106 mit Anschlussöffnungen 130 versehen ist, durch welche der Wärmespeichervorrichtung 100 Strömungsmedium zuführbar ist.
Sowohl die Endplatten 106 als auch die Trennelemente 102 weisen einen senkrecht zu der Stapelrichtung 132 der Trennelemente 102 genommenen, im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf.
Auch die Distanzelemente 104 weisen einen im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung 100 senkrecht zu der Stapelrichtung 132 genommenen, im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf, so dass die mittels der Trennelemente 102 und der Distanzelemente 104 gebildeten Speicherräume 114 und Strömungsräume 116 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sind.
Insbesondere dann, wenn die Speicherräume 114 der Wärmespeichervorrichtung 100 gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung 100 durch Zugangsöffnungen 123 zugänglich sind, kann vorgesehen sein, dass die Wärmespeichervorrichtung 100 mindestens ein Wärmeleitelement 124 umfasst, welches auch nach der Montage der Wärmespeichervorrichtung 100 in die Speicherräume 114 einbringbar oder aus denselben entnehmbar ist.
Ein solches Wärmeleitelement 124 kann beispielsweise einen zickzackförmigen Querschnitt (8), einen wellenförmigen Querschnitt (9) oder einen kreuzförmigen Querschnitt (10) aufweisen.
Wesentlich hierbei ist, dass mittels des Wärmeleitelements 124 eine Wärmeübertragung aus einem in der Mitte der Speicherräume 114 befindlichen Bereich hin zu den Trennelementen 102 beeinflusst, insbesondere beschleunigt, wird.
Auf diese Weise kann die zur Beladung oder zur Entladung der Wärmespeichervorrichtung 100 benötigte Wärme wahlweise innerhalb eines kürzeren Zeitraums oder eines längeren Zeitraums aufgenommen bzw. abgegeben werden.
11 zeigt eine Draufsicht von oben auf die Wärmespeichervorrichtung 100 aus 3 mit in den Speicherräumen 114 angeordneten Wärmeleitelementen 124 gemäß 8.
Die Wärmespeichervorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Durch die Anschlussöffnungen 130 in einer der Endplatten 106 wird der Wärmespeichervorrichtung 100 ein Strömungsmedium, beispielsweise unter Druck stehendes, heißes Wasser bzw. Wasserdampf, zugeführt, welches daraufhin die Strömungsräume 116 der Strömungsvorrichtung 112 durchströmt.
Über die Trennelemente 102 der Wärmespeichervorrichtung 100 wird die in dem Strömungsmedium enthaltene Wärme auf das in den Speicherräumen 114 der Speichervorrichtung 110 angeordnete Speichermedium übertragen. Das Speichermedium nimmt die Wärme auf und speichert diese beispielsweise in Form von latenter Wärme durch einen Phasenübergang.
Durch geeignete Wahl der in den Speicherräumen 114 angeordneten Wärmeleitelemente 124 kann die zur vollständigen Beladung der Wärmespeichervorrichtung 100 benötigte Zeit beeinflusst werden.
Zur Entladung der Wärmespeichervorrichtung 100, das heißt zur Entnahme von Wärme aus der Wärmespeichervorrichtung 100, wird erneut ein Strömungsmedium durch die Wärmespeichervorrichtung 100 hindurchgeführt. Das Strömungsmedium weist hierzu eine geringere Temperatur als diejenige des Speichermediums auf, so dass Wärme von dem Speichermedium auf das Strömungsmedium übertragen werden kann.
Die Effizienz der Übertragung der Wärme von dem Speichermedium auf das Strömungsmedium hängt bei der Entladung der Wärmespeichervorrichtung 100 ebenfalls von dem Vorhandensein und der Ausgestaltung der Wärmeleitelemente 124 in den Speicherräumen 114 der Wärmespeichervorrichtung 100 ab, so dass auch die benötigte Zeit für die Abgabe der in der Wärmespeichervorrichtung 100 gespeicherten Wärme an das Strömungsmedium durch geeignete Auswahl der Wärmeleitelemente 124 gezielt gewählt werden kann.
Dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung 100 eine Mehrzahl von plattenförmigen Trennelementen 102 und mindestens ein Wärmeleitelement 124 zur Anordnung in mindestens einem Speicherraum 114 umfasst, ist die Wärmespeichervorrichtung 100 mit geringem Aufwand herstellbar und auf einfache Weise für eine Vielzahl für Anwendungsmöglichkeiten anpassbar.
Bezugszeichenliste

100: Wärmespeichervorrichtung
102: Trennelemente
104: Distanzelement
106: Endplatte
108: Leitungselement
109: Befüllungs- und Dehnungsrohre
110: Speichervorrichtung
111: Befüllungs- und Dehnungsöffnung
112: Strömungsvorrichtung
114: Speicherraum
116: Strömungsraum
118: Ausbuchtungen
120: Oberfläche
122: umlaufender Rand
123: Zugangsöffnung
124: Wärmeleitelement
126: Strömungsöffnung
128: Durchtrittsöffnung
130: Anschlussöffnung
132: Stapelrichtung

Claims

Wärmespeichervorrichtung (100) zur Speicherung von Wärme in einem Speichermedium, umfassend: – eine Speichervorrichtung (110), welche eine Mehrzahl von Speicherräumen (114) umfasst, in denen das Speichermedium aufgenommen oder aufnehmbar ist; – eine Strömungsvorrichtung (112), welche eine Mehrzahl von Strömungsräumen (116) umfasst, die von einem Strömungsmedium durchströmt werden oder durchströmbar sind, wobei die Speicherräume (114) und die Strömungsräume (116) alternierend angeordnet sind; – eine Mehrzahl von plattenförmigen Trennelementen (102) zum Trennen der Speicherräume (114) von den Strömungsräumen (116), wobei jeweils ein plattenförmiges Trennelement (102) zwischen einem Speicherraum (114) und einem an diesen Speicherraum (114) angrenzenden Strömungsraum (116) angeordnet ist; – mindestens ein Wärmeleitelement (124), welches in einem oder mehreren der Speicherräume (114) angeordnet oder anordenbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Speicherraum (114) in einem montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung (100) eine Zugangsöffnung (123) umfasst, durch welche das mindestens eine Wärmeleitelement (124) in den mindestens einen Speicherraum (114) einbringbar und/oder aus dem mindestens einen Speicherraum (114) entfernbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle plattenförmigen Trennelemente (102) im Wesentlichen baugleich ausgebildet sind.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (100) mindestens ein Distanzelement (104) zum Festlegen eines Abstands zwischen zwei benachbarten Trennelementen (102) umfasst.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Distanzelement (104) in einem äußeren Randbereich der Trennelemente (104) angeordnet ist.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (102) mit mindestens einer Durchtrittsöffnung (128) für das Strömungsmedium versehen sind.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Trennelementen (102), welche einen Speicherraum (114) zwischen sich einschließen, mindestens ein Leitungselement (108) angeordnet ist, welches zwischen den Trennelementen (102) verläuft und mindestens eine Durchtrittsöffnung (128) in dem einen Trennelement (102) mit mindestens einer Durchtrittsöffnung (128) in dem weiteren Trennelement (102) verbindet, so dass ein fluiddichter Strömungskanal für das Strömungsmedium gebildet ist.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelemente (102) mittels Dichtungen oder stoffschlüssig miteinander oder mit Distanzelementen (104) zum Festlegen eines Abstands zwischen zwei benachbarten Trennelementen (102) verbunden sind.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des mindestens einen Wärmeleitelements (124) eine geringere Härte aufweist als das Material der Trennelemente (102).
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeleitelement (124) Graphit umfasst oder aus Graphit gebildet ist.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeleitelement (124) zumindest abschnittsweise einen wellenförmigen, kreuzförmigen und/oder zickzackförmigen Querschnitt aufweist.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeleitelement (124) im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung (100) zwischen zwei benachbarten Trennelementen (102) eingeklemmt oder einklemmbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeleitelement (124) im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung (100) aus dem mindestens einen Speicherraum (114) entnehmbar und/oder in den mindestens einen Speicherraum (114) einbringbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeleitelement (124) im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung (100) lose in mindestens einem Speicherraum (114) gelagert oder lagerbar ist.
Bausatz für eine Wärmespeichervorrichtung (100), umfassend eine Mehrzahl von plattenförmigen Trennelementen (102) zur Ausbildung einer Wärmespeichervorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und eine Mehrzahl von Wärmeleitelementen (124), welche zur Beeinflussung der Leistungsfähigkeit der Wärmespeichervorrichtung (100) im montierten Zustand der Wärmespeichervorrichtung (100) wahlweise in einem oder mehreren der Speicherräume (114) angeordnet oder anordenbar sind.